Essais en cisaillemen t extrême

Les méthodes d’essais mécaniques couramment utilisées ne permettent pas d’atteindre les valeurs des vitesses de déformation rencontrées en usinage, comme le montre la figure suivante :

Figure III-2: limitation des moyens d’essais mécaniques par rapport aux procédés de mise en forme.

Seules les barres d’Hopkinson et le plastomère à came peuvent atteindre de telles vitesses de déformation. Une autre machine, la machine Gleeble peut être utilisée pour atteindre ces vitesses et ainsi combler le manque d’information expérimentales, surtout en zone 4 (Figure

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85 III-3). De plus, cette machine permet de faire des essais en température (plusieurs centaines de degrés) et avec une cinétique de chauffe très dynamique (plusieurs milliers de degrés par secondes).

Figure III-3: Domaines d'essais possibles grâce à la Machine Gleeble [Hor 2010]

Des essais de compression et de cisaillement on été réalisés avec la machine Gleeble afin d’identifier les paramètres de la loi de Johnson Cook pour les deux alliages de titane Ti555-3 et Ti6Al4V.

Tous les essais sont réalisés dans une cellule sous vide primaire soit 10^-2 torr pour les essais à température ambiante et 10^-5 torr pour les essais en température. Les mesures de température sont réalisées par deux thermocouples soudés en surface de l’éprouvette (le plus proche possible de la zone de déformation), le déplacement est mesuré un extensomètre longitudinal fixé sur les mors.

La force est mesurée par capteur placé en série par rapport au mors. Le chauffage est réalisé par effet Joule. Pour assurer une bonne conductibilité électrique, on place à l’interface mors- éprouvette du papier en graphite et de la pate de Nickel, cela permet aussi de diminuer le frottement de l’éprouvette par rapport aux mors.

GLEEBLE

86 Figure III-4: Montage expérimental

Pour les essais en températures, le cycle thermomécanique consiste tout d’abord à chauffer le matériau avec une vitesse de chauffage relativement lente soit 5°C/s jusqu’à la température choisie, cette température est alors maintenue pendant 20 s pour garantir l’homogénéité de la température dans l’éprouvette. L’essai mécanique est alors exécuté avec la vitesse de déformation programmée.

Afin de vérifier si le chauffage par effet Joules permet d’obtenir une température homogène dans l’éprouvette, nous avons chauffé une éprouvette à une température de consigne (thermocouple TC1) à 1000°C et mesurée la température à trois endroits de l’éprouvette à l’aide de thermocouples (Figure III-5). On observe que dans la zone correspondant au cylindre plein (thermocouple TC2) la température est de 60°C plus grande que la température de consigne (TC1). La température indiquée par le thermocouple TC3 est proche de celle indiquée par TC1. De plus, la température à cœur de ce cylindre plein est encore plus importante. En effet, elle peut être estimée en comparant l’allongement diamétral expérimental et numérique de cette zone. On observe, alors, que la température au cœur de la zone pleine est de 250°C plus grande que la zone cisaillée.

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87 Figure III-5: mise en évidence de l'hétérogénéité de température dans l’éprouvette chapeau.

Cette variation de température peut paraitre anecdotique car elle n’est pas située dans la zone utile de l’éprouvette. Or lors de l’identification par méthode inverse, la simulation numérique qui nous permettra de calculer la courbe Effort / Déplacement sera réalisée avec une température homogène dans l’éprouvette, ce qui entrainera une erreur sur la déformation totale de l’éprouvette. En effet, lors de l’essais expérimental, le cylindre plein, étant plus chaud que la température de consigne, se déformera de manière plus importante que celui calculé numériquement. Cette erreur induira faussement une raideur plus importante de l’éprouvette dans la simulation numérique, ce qui entrainera une convergence vers une loi de comportement plus ‘souple’ pour palier cette augmentation artificiel de raideur. Néanmoins, la différence de température est relativement faible, ce qui n’aura qu’une influence très faible sur la loi de comportement identifiée.

Lors de l’essai, le déplacement des mors peut être mesuré de deux manières différentes suivant la vitesse de sollicitation. En effet, à faibles vitesses de déformations (inférieure à 10 mm/s) le déplacement est mesuré à l’aide d’un capteur LVDT, nommé LGauge, fixé sur les mors. Lors des essais plus rapides, le vérin, déconnecté du mors mobile, s’élance jusqu'à la vitesse désirée puis rentre en contact violemment avec le mors mobile pour le déplacer à grande vitesse. Dans ce cas, le capteur LGauge risque d’être endommagé, le déplacement est alors mesuré par le capteur donnant la position du vérin moteur.

Les essais de cisaillement réalisés sur les deux alliages de titane Ti5553 et Ti6Al4V sont répertoriés dans les deux tableaux suivants (Tableau III-1) (Tableau III-2). Les essais qui serviront à identifier la loi de comportement sont notés I. Les essais notés V serviront à valider (ou non) la loi de comportement identifiée. La vitesse de déformation visée dans la zone de cisaillement est d’environ dix fois supérieure à la vitesse de déplacement du vérin.

Les essais permettront donc des vitesses de déformation de 1 s^-1 à 10⁴ s^-1. Tous les essais ont été répétés deux fois. Un troisième essai a été réalisé en cas de répétabilité jugée médiocre des deux premiers essais.

88 Les essais à vitesses de déformation croissantes sont réalisés à température ambiante pour faciliter leur mise en œuvre. Les essais à températures croissantes sont réalisés à faible vitesse de déformation, respectivement 1 s^-1 et 10 s^-1 pour l’alliage Ti555-3 et Ti-6Al-4V, pour éviter les effets d’autoéchauffement important dans la zone de cisaillement lors de sa déformation.

Tableau III-1: essais de cisaillement pour l’alliage Ti555-3.

Tableau III-2: essais de cisaillement pour l’alliage Ti6Al4V

Les deux figures suivantes (Figure III-6, Figure III-7) représentent, par chaque matériau, les résultats bruts des deux essais obtenus pour une configuration d’essai. Dans ces deux cas, la répétabilité a été jugée correcte.

Figure III-6:exemple de répétabilité des essais de cisaillement pour le Ti555-3 Température

(°C)

Vitesse de déplacement (mm.s^-1)

0,1 1 10 100 1000

20 I I I I I

300 I

400 V

600 I

800 I

900 V V

1000 I

Température (°C)

Vitesse de déplacement (mm.s^-1)

0,1 1 10 100 1000

20 I I I I I

300 I

600 I

900 I V

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89 Figure III-7: Exemple de répétabilité des essais de cisaillement pour le Ti6Al4V